鋼筋混凝土橋梁防腐蝕技術措施研究

摘　要:對上海地區五座被腐蝕的橋梁混凝土的現場取樣測試結果顯示,原365JT設計強度為Ｃ30混凝土強度和耐久性均嚴重降低。近年來上海建成了大量橋梁、高架和軌道365JT交通工程,鋼筋混凝土防腐365JT技術措施研究無疑將成為一個緊迫的課題。通過對涂有(純丙乳液、苯丙乳液、叔碳酸鹽和有機硅)涂層的混凝土的氯離子滲透性、氣體滲透性以及碳化性能進行了研究,發現除有機硅外,其他幾種涂層對混凝土防腐效果顯著,其中苯丙乳液效果最佳。　

關鍵詞:混凝土　防腐蝕　涂層　耐久性

從20世紀80年代后期至今,經過十幾年的建設,上海的道路交通設施發生了巨大的變化,建成了內環高架道路、延安路高架道路、南北高架道路、南浦大橋、楊浦大橋、徐浦大橋和高架明珠軌道線等。在這些工程中,鋼筋混凝土構筑物的量不斷增加,就目前所修的橋梁結構而言,絕大部分為鋼筋混凝土或預應力鋼筋混凝土結構。根據目前對上海地區范圍內立交橋和高架道路的初步觀察發現,混凝土構筑物在耐久性方面存在著不同程度的問題,嚴重影響混凝土結構正常的使用壽命,主要表現特征為某些部位的混凝土開裂,鋼筋銹蝕,混凝土鋼筋保護層太薄,混凝土抗水、有害離子滲透性及抗碳化性能差等等。如不予以重視,不盡早根據其使用狀況和應用環境采取必要的保護措施,不久的將來會對國家和人民的財產和安全帶來嚴重的后果。混凝土腐蝕劣化過程一般經過兩個階段。初始階段和擴展階段,在初始階段沒有顯著的材料弱化或結構功能退化現象出現,但某些保護層被侵蝕介質破壞。而在擴展階段

,將出現主動性的損傷并加速發展,如鋼筋腐蝕。到目前為止,如何減緩和防止混凝土橋梁腐蝕,以提高混凝土橋梁耐久性能,延長其使用壽命還沒有一套有效的方法。因此,本文就保護材料及工藝,保護技術方面加以研究,并提出一套有效的混凝土防腐蝕保護技術。

1　試　驗

1．1　原材料水

　聚合物涂層采用純丙乳液(ＡＣ)、苯丙乳液(ＰＡ)、叔碳酸鹽乳液(ＴＣ)和有機硅(ＯＳ)等四種聚合物。

1．2　試驗方法

混凝土碳化試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能實驗方法》(ＧＢＪ82-85)中快速碳化試驗進行。采用100ｍｍ×100ｍｍ×300ｍｍ長方體試件,標準養護26ｄ,在60℃烘48ｈ取出測試。

混凝土氣體滲透試驗按照ＲＩＬＥＭＴＣ116-ＰＣＤ[1]步驟進行。每組2塊,試塊采用直徑150ｍｍ,高度為50ｍｍ的圓柱體。養護時盡量減少試塊與外界環境的水分交換。養護在2

0℃的室內進行,立即將試塊密封保存。采用氮氣作為滲透氣體。滲透壓力分別為1．5×105、2．0×105、3．0×105Ｐａ(絕對壓力)。計算各壓力下的Ｋｉ,取平均值即得各配比混凝土的滲透系數Ｋ。混凝土氯離子滲透性能采用ＡＳＴＭＣ1202[2]建議的電量法測定。試件為直徑100ｍｍ,高度50ｍｍ的圓柱狀混凝土。

2　試驗結果與分析

2．1　鋼筋混凝土橋梁耐久性劣化現狀和力學性能現狀

我們調查了上海公路系統的團港橋、內港河橋、醫院橋、五灶港橋和六灶港橋等鋼筋混凝土橋梁。這些橋梁均有不同程度腐蝕破壞。從現場進行鉆孔取樣,并根據要求制樣,以測定其氯離子滲透性、碳化深度和強度。

2．1．1　鋼筋混凝土氯離子滲透性的檢測

從表2中可見,橋梁內側和外側的混凝土試樣抗氯離子滲透性明顯比中部試樣差,內外側試樣的導電量大部分超過4000Ｃ,說明混凝土的抗氯離子滲透性能已經很差,混凝土耐久性受到嚴重劣化,混凝土對鋼筋的保護作用已經很弱。中部試樣的導電量大約為兩側混凝土導電量的3 4,說明中部混凝土的抗氯離子滲透性也受到了較嚴重的劣化。

2．1．2　鋼筋混凝土碳化深度的檢測

表3顯示五座橋均受到一定程度的碳化腐蝕,其中團港橋的外側和六灶港橋的內側尤其嚴重,碳化深度分別為19．5ｍｍ和18．0ｍｍ。從表2和表3中可見,混凝土的氯離子滲透性和碳化深度有很好的相關性,說明氯離子滲透性和碳化深度對混凝土耐久性的評價是一致的。

表3　橋梁取芯碳化深度

2．1．3　鋼筋混凝土抗壓強度測試

從表4中可以看出,原設計強度為Ｃ30的混凝土現在的強度都有大幅度降低,抗壓強度最低只有14．8ＭＰａ,回彈強度只能達到14．6ＭＰａ。同時結合氯離子滲透和碳化深度測試的結果發現,強度低的試樣其抗氯離子滲透性差,同時已被碳化的深度大。

表4　橋梁取芯試樣抗壓強度樣

2．2　鋼筋混凝土橋梁防腐技術措施研究以

上對取芯試樣的測試結果表明:受調查的上海地區這幾座橋梁的混凝土均受到了相當嚴重的腐蝕。可以推測其他橋梁也應該受到一定程度的影響,所以如何防止鋼筋混凝土橋梁的腐蝕應該成為一個迫在眉睫的重大課題。本文就此提出鋼筋混凝土防腐技術措施,并對其作出評價。試驗分別對不涂涂層的基準混凝土(ＮＯ)和涂有不同聚合物涂層:純丙乳液(ＡＣ)、苯丙乳液(ＰＡ)、叔碳酸鹽乳液(ＴＣ)和有機硅(ＯＳ)的混凝土的氯離子滲透性、抗碳化性能和氣體滲透性進行了研究。并且對不同厚度的苯丙乳液(ＰＡ)涂層對耐久性的影響進行了研究。

2．2．1　不同涂層對混凝土氯離子滲透性的影響

氯離子滲透性對于鋼筋混凝土橋梁結構的耐久性是一個重要考察指標。氯離子即使在高堿度下,對破壞鋼筋的鈍化膜都有特殊的能力。鋼筋的銹蝕最終會導致混凝土強度大大降低,這對于鋼筋混凝土結構來說是一個潛在的巨大威脅。試驗表明,基準混凝土通過的電量為1233Ｃ。而涂有各種涂層的混凝土的氯離子滲透性得到顯著改善,對比表5所列的ＡＳＴＭＣ1202標準,通過的電量基本可以忽略。其中涂有苯丙乳液(ＰＡ)的混凝土滲透性接近于0。

表5　混凝土滲透性評價(ＡＳＴＭＣ1202)

2．2．2　不同涂層對混凝土氣體滲透性的影響

圖1中可見涂有不同涂層的混凝土氣體滲透系數相差很大。與基準混凝土相比,純丙乳液涂層可以使混凝土氣體滲透系數降低1個數量級,叔碳酸鹽涂層可以使滲透系數降低2個數量級以上,而涂有苯丙乳液的混凝土根本就不透氣。有機硅對混凝土的氣體滲透性影響很小。2．2．3　不同涂層對混凝土碳化深度的影響

混凝土碳化是指空氣中的二氧化碳氣體不斷透過混凝土毛細孔擴散到混凝土內部,氣相擴散到混凝土內部充水的

毛細孔中與其中的孔隙液所溶解的氫氧化鈣進行中和反應,生成碳酸鹽或其他物質的現象。從總體上可以把混凝土碳化過程分成兩個步驟:第一個步驟是二氧化碳氣體擴散到混凝

土孔隙中;第二個步驟是二氧化碳與混凝土中物質發生反應。很明顯,前者是發生碳化腐蝕的前提條件。利用涂層包裹混凝土的表面,從而形成致密的保護層可以防止二氧化碳氣體的擴散。從表6的數據可見,除了有機硅涂層外,其他涂層對防止混凝土的碳化都有很好的效果,基準混凝土28ｄ碳化深度為24．7ｍｍ,而涂有苯丙乳液的混凝土28ｄ碳化深度最小僅為0．7ｍｍ,純丙乳液次之為2．7ｍｍ,叔碳酸鹽再次之為5．9ｍｍ。從碳化的發展速度來看,基準混凝土和涂有純丙乳液、叔碳酸鹽涂層的混凝土早期碳化發展較快,后期較慢。這是因為碳化產生了不溶于水的碳酸鈣填充了混凝土的部分空隙[3],使得二氧化碳氣體擴散變得更難,所以減緩了碳化速度。而涂有苯丙乳液涂層的混凝土碳化速度均勻,是因為涂層本身對二氧化碳的滲透性就幾乎為零,所以碳化產生很少的碳酸鈣不至于影響碳化速度。

表6　不同涂層對碳化深度的影響

2．2．4　不同厚度的涂層對混凝土耐久性的影響

分別調整苯丙乳液涂層的厚度為0．7ｍｍ、1．0ｍｍ和1．3ｍｍ,進行混凝土氯離子滲透、氣滲、碳化深度測試。試驗結果見圖2。由試驗結果可以發現,混凝土28ｄ的碳化深度隨涂層厚度的增加而明顯減小。其中1．0ｍｍ涂層的混凝土碳化深度為0．8ｍｍ,而0．7ｍｍ涂層的混凝土碳化深度增加到3．2ｍｍ。而涂層厚度對混凝土氣滲和氯離子滲透幾乎沒有影響,綜合考慮經濟與效果兩方面因素,建議選擇涂層厚度為1．0ｍｍ。

3　結　論

1)橋梁混凝土現場取樣試驗結果表明,原設計強度為Ｃ30的混凝土強度和耐久性都有驚人的下降,如不立即采取橋梁防腐措施,后果不堪設想。

2)不同涂層對混凝土的氯離子滲透性、氣體滲透性和防碳化方面都有顯著的效果,其中苯丙乳液最理想,可以使混凝土的氣滲系數降低至0,抗氯離子滲透性能提高3個數量級,碳化深度下降到1 35。

3)苯丙乳液涂層厚度對混凝土氣滲和氯離子滲透幾乎沒有影響,而混凝土28ｄ的碳化深度隨涂層厚度增加而明顯減小。綜合考慮經濟與效果,建議苯丙涂層的厚度為1．0ｍｍ。震及豎向荷載作用下避免嚴重垮塌。對此,本文提出了“強轉換”、“強底梁、強節點”、“強剪弱彎”的抗震設計總原則。